厘米级磁重构并联机器人：基于格拉斯曼线几何的多任务自适应磁连接部件库合成框架

本文创新性地提出Grassmann线几何引导的磁操作机器人系统(GLMOR)，通过模块化磁球关节连接实现原位拓扑快速重构。研究构建了低成本、乐高式的磁连接部件库，可在48秒内完成厘米级(基座直径3.2cm)磁重构并联机器人(CMPR)的快速重组，平衡了结构刚度与重构敏捷性。采用3-P(4S)构型Delta机器人为案例，系统评估了磁连接影响下的规则工作空间和全局传递指数(GTI)，验证了其在桌面定位、腹腔镜操作等医疗场景的应用潜力。

　　

磁驱动模块化机器人的医疗革新

在微创手术领域，厘米级可重构并联机器人的发展面临微型化、多自由度灵活性与快速重构的平衡难题。传统并联机构虽具有高负载优势，但难以适应多样化手术需求。这项研究突破性地将格拉斯曼线几何理论与磁连接技术相结合，开创了医疗机器人设计新范式。

磁连接部件库的革命性设计

研究团队构建了包含平台、基座、三类连接件和两类棱柱驱动组件的磁连接部件库。其中S型支链（单磁球连接）具有3个旋转自由度，S-S型支链（双磁球）则具备6自由度特性。通过巧妙设计R-S型支链（平行双S结构），实现了旋转自由度的定向约束。这种乐高式设计支持快速组装PSS、P(4S)、PRS和PS等多种运动链，平均重构时间仅48秒。

基于格拉斯曼线几何的构型合成

研究提出五步系统设计框架：需求分析→自由度约束表征→最优支链选择→运动学验证→磁连接快速组装。通过构建自由度线图与约束线图的对偶关系，成功合成出4类典型构型：6-PSS构型实现6自由度全向运动；3-P(4S)构型专精3维平移；3-PRS构型实现2旋转1平移；3PSS+PS构型则达成3旋转1平移。特别值得注意的是，磁球连接的最大旋转角θ_max=arccos(w/2a)的数学建模，确保了连接强度与工作空间的精确控制。

3-P(4S)构型的深度优化

选择经典的Delta机构作为案例，研究团队建立了包含磁连接约束的运动学模型。当磁球半径a=2mm、槽宽w=3mm时，推导出临界角θ_max≈41.4°。通过边界采样法获得的工作空间呈现独特非凸形态，进而采用最大内接椭球体定义规则工作空间。参数优化显示，当基座半径R=14mm、支链长L=25.5mm、平台半径r=7.2mm时，系统在GTI指数与工作空间体积间取得最佳平衡。

医疗应用的多场景验证

实验证实该平台具有多重医疗价值：作为器械移动平台时可实现±15mm的精准定位；作为手术器械基座时能提供0.5N的持续负载；在模拟腹腔镜操作中展现出优异的腔体内灵活性。磁连接设计允许根据手术需求快速切换构型——例如从3-P(4S)构型切换至3-PRS构型仅需更换支链组件，而无需改动驱动系统。

这项研究为微创手术机器人提供了创新解决方案，其模块化设计理念不仅突破传统并联机构的局限性，更开创了"按需重构"的新型手术模式。未来通过进一步微型化部件库，有望拓展至眼科、神经外科等更精密的医疗场景。